生物化学之核酸的生物合成

1、第十四章第十四章 核酸的生物合成核酸的生物合成nucleic acid biosynthesisnucleic acid biosynthesis本章主要内容本章主要内容DNA的生物合成的生物合成RNA的生物合成的生物合成第一节第一节 DNA的生物合成的生物合成中心法则中心法则（ central dogmacentral dogma）遗传信息传递方向的规律遗传信息传递方向的规律基因表达：基因表达：是指将遗传信息由是指将遗传信息由DNA转录转录为为RNA、再再翻译翻译成蛋白质的过程成蛋白质的过程 半保留复制半保留复制 复制起始点（复制起始点（ori) 双向复制双向复制 半不连续复制半不连续复制一

2、、复制一、复制（replication）（一）（一）DNA复制的基本原则复制的基本原则半保留复制半保留复制semiconservative replicationAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC亲代亲代子代子代DNA半保留复制的实验半保留复制的实验 从复制起始点向从复制起始点向2个方向进行双向复制个方向进行双向复制双向复制双向复制半不连续复制（半不连续复制（semidiscontinous replication)冈崎片段冈崎片段（二）参与二）参与DNA复制的主要酶类复制的主要酶类1. 解旋、解链酶类解旋、解链酶类DN

3、A拓扑异构酶解链酶单链结合蛋白2. 引物酶引物酶3. DNA聚合酶聚合酶4. DNA连接酶连接酶1、解旋、解链酶类、解旋、解链酶类 解链酶解链酶(helicase)解开解开DNADNA双链中氢键，消耗双链中氢键，消耗ATPATP 单链结合蛋白单链结合蛋白（single-stranded DNA-binding protein）与单链与单链DNADNA结合，保持模板处于结合，保持模板处于单链状态单链状态，保护复制中的保护复制中的DNADNA单链单链不被核酸酶降解不被核酸酶降解。 DNA拓扑异构酶（拓扑异构酶（topoisomerase)复制前：复制前：松弛松弛DNADNA超螺旋，克服扭结现象超螺

4、旋，克服扭结现象复制后：复制后：TopoIITopoII作用下，重新引入超螺旋（需作用下，重新引入超螺旋（需ATPATP供能）供能）解链酶解链酶 DNADNA拓朴异构酶拓朴异构酶 单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白 SSBSSB解开解开、理顺理顺 DNADNA链、维持链、维持DNADNA单链单链状状2、引物酶、引物酶(primase)DNA聚合酶合成新聚合酶合成新DNA时需要时需要引物（一小段引物（一小段RNA）引物引物RNA3-OH末端末端作为作为DNA合成的起始点合成的起始点引物酶与多种起始蛋白结合形成引物酶与多种起始蛋白结合形成引发体引发体引物酶催化合成引物（引物酶催化合成引物（pri

5、mer)http:/ polymerase)DNA聚合酶的作用特点：聚合酶的作用特点：1. 模板：解开的模板：解开的DNA双链双链2. 催化底物催化底物（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）聚合聚合3. 形成形成3,5磷酸二酯键磷酸二酯键4. 新链延长方向新链延长方向5 / 3 /5. 具核酸外切酶活性具核酸外切酶活性原核原核DNA聚合酶聚合酶polpol： 3 355外切酶活性，参与外切酶活性，参与DNADNA修复校正修复校正 5 533外切酶、聚合酶活性，外切酶、聚合酶活性， 切除引物切除引物并填补空隙并填补空隙 具有具有切口平移切口平移作用作用pol pol ：生理功能尚不清楚，无酶

6、生理功能尚不清楚，无酶、时起作用时起作用pol pol ：复制延长中复制延长中真正真正起复制起复制作用作用的酶的酶具具3 3/ /-5-5/ /核酸外切酶活性，校正作用核酸外切酶活性，校正作用DNA复制高保真性的机制复制高保真性的机制 DNADNA模板指导模板指导 正确选择碱基配对正确选择碱基配对 校读功能校读功能4、DNA连接酶连接酶(DNA ligase) 通过通过3 3/ /，5 5/ /- -磷酸二酯键磷酸二酯键连接连接互补链互补链中中DNADNA片段片段 不能连接单独存在的不能连接单独存在的DNADNA或或RNARNA单链。单链。（三）（三）DNA的复制过程的复制过程1. 模板模板D

7、NA解旋与解链，形成复制叉；解旋与解链，形成复制叉；2. 形成引发体，合成形成引发体，合成RNA引物；引物；3. 按按A=T、G=C碱基配对规则，合成碱基配对规则，合成DNA；4. 切除引物、填补空隙、形成冈崎片段；切除引物、填补空隙、形成冈崎片段；5. DNA连接酶连接封口，形成长链连接酶连接封口，形成长链DNA；6. 在在Tus蛋白参与下，终止复制。蛋白参与下，终止复制。(terminus utilization substance)DNA复制示意图复制示意图拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶5/ 3/3/ 5/ 3/ 5/DNA聚合酶聚合酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶前导链前

8、导链 随后链随后链DNA连接酶连接酶冈崎片段冈崎片段引物酶引物酶二、逆转录二、逆转录(reverse transcription)概念：概念：以以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA的过程的过程酶：酶：逆转录酶逆转录酶 依赖依赖RNA的的DNA聚合酶功能聚合酶功能 RNaseH功能（水解功能（水解RNA-DNARNA-DNA杂交链杂交链） 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶功能聚合酶功能逆转录酶逆转录酶-RNaseH-+-cDNAcDNA整合整合入宿主细入宿主细胞胞DNADNA分子分子中中病毒病毒RNARNA-cDNA 杂交体杂交体cDNA双股双股cDNA宿主细胞宿主细胞DNADNA分子分

9、子整合了整合了cDNA的宿主的宿主细胞细胞DNA分子分子逆转逆转录酶录酶意义：意义： 对中心法则的补充对中心法则的补充 有助于基因工程的实施有助于基因工程的实施 逆转录过程逆转录过程HIV生活史生活史三、三、DNA复制与端粒、端粒酶复制与端粒、端粒酶端粒端粒: 是由蛋白质和是由蛋白质和DNA紧密结合的结构紧密结合的结构端粒酶端粒酶: 是一种自身携带模板是一种自身携带模板RNA的逆转录酶的逆转录酶端粒酶特殊的生物学功能：端粒酶特殊的生物学功能：1. 端粒酶活性与遗传信息的稳定性；端粒酶活性与遗传信息的稳定性；2. 端粒酶活性与细胞衰老；端粒酶活性与细胞衰老；3. 端粒酶活性与肿瘤端粒酶活性与肿瘤

10、(telomere、telomerase)http:/ 3-CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA35DNA5-TTTTGGGGTTTTGGGGTTTT 3-G-OH(3)CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA35DNA5-TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG-OH(3) 3-Further polymerization端粒酶合成端粒的爬行模式端粒酶合成端粒的爬行模式四、四、DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复突变突变自发突变自发突变(spontaneous mutation)人工诱变人工诱变(induced mutation)（一）引起突变的因素一）引起突变的因素物理

11、因素：物理因素：紫外线、各种辐射紫外线、各种辐射化学因素：化学因素：亚硝酸盐、烷化剂、芳香烃类亚硝酸盐、烷化剂、芳香烃类生物因素：生物因素：RNA病毒等病毒等 （二）突变的类型（二）突变的类型v点突变点突变(point mutation) （ 错配）错配） 转换(transition) ：A G 或 C T 颠换 (transversion)：嘌呤碱 嘧啶碱v框移突变框移突变(frameshift mutation) 缺失、插入1个碱基v重排重排(rearrangement)血红蛋白中遗传信息的异常血红蛋白中遗传信息的异常正常正常DNA TGTGGG CTTCTTTTTmRNA ACACCCG

12、AAGAA AAAHbA（链）链）（氨基末端）（氨基末端）苏苏脯脯谷谷6谷谷 赖赖异常异常DNA TGTGGG CATCTTTTTmRNA ACACCCGUAGAA AAAHbS（链）链）（氨基末端）（氨基末端）苏苏脯脯缬缬6谷谷 赖赖镰刀形红细胞性贫血镰刀形红细胞性贫血HbA与与HbS比较比较由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型图14-14 由基因重排引起的两种地中海贫血基因型 1 2 位于11号染色体的Hb基因家族 1 2 1 2 N C 1 2 N C 1 2 1 2 （三）（三）DNA的损伤修复的损伤修复光复活光复活切除修复切除修复重组修复重组修复S

13、OS修复修复光修复光修复(photoreactivation)紫外辐射紫外辐射DNA链上两个胸腺嘧链上两个胸腺嘧啶残基间形成二聚体啶残基间形成二聚体光修复酶光修复酶切除修复切除修复核酸内切酶核酸内切酶DNApol ，DNA ligase(excision repair)重组修复重组修复(recombinational DNA repair）第二节第二节 RNA的生物合成（转录）的生物合成（转录）(transcription)一、参与转录的主要物质一、参与转录的主要物质v转录模板转录模板vRNA聚合酶聚合酶v底物底物v终止因子终止因子（一）转录模板（一）转录模板v转录的模板：转录的模板：DNAD

14、NA双链中的一条双链中的一条v模板链：模板链：DNADNA双链中具有转录功能的一条链双链中具有转录功能的一条链（template strand）v编码链：编码链：贮存有遗传信息与模板链互补的一条链贮存有遗传信息与模板链互补的一条链（coding strand）5/3/3/5/不对称转录：不对称转录： 1 1、RNARNA分子上只有一条可转录分子上只有一条可转录 2 2、模板链并不总是在同一单链上、模板链并不总是在同一单链上RNA合成方向：合成方向：5/3/不对称转录（不对称转录（asymmetric transcription）DNA 5 G G A G T A C A T G T C 3 （

15、编码链，编码链，+, ） 3 C C T C A U G U A C A G 5 （模板链模板链，-，），） （转录）（转录） 5 G G A G U A C A U G U C 3 mRNA （翻译）翻译） N Ala Val His Val C 多肽多肽 （二）（二）RNA聚合酶聚合酶原核细胞原核细胞(RNA polymerase) 亚基亚基 功能功能 2 2 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 与转录全过程有关与转录全过程有关 结合结合DNA模板模板 辨认起始点辨认起始点全酶：核心酶（全酶：核心酶（ 2 2 ） + + 起始因子（起始因子（ ）类型类型 细胞内定位细胞内定位 催化转录产

16、物催化转录产物 对鹅膏蕈碱的反应对鹅膏蕈碱的反应 核仁核仁 rRNArRNA前体前体 耐受耐受 核质核质 mRNAmRNA前体前体 极敏感极敏感 核质核质 5 5SrRNA SrRNA tRNA tRNA 中度敏感中度敏感（二）（二）RNA聚合酶聚合酶真核细胞真核细胞（三）底物（三）底物RNA聚合酶的底物（聚合酶的底物（RNA合成的原料）：合成的原料）： ATP、GTP、CTP、UTP二、转录过程二、转录过程1. 转录起始转录起始2、转录延长、转录延长3、转录终止、转录终止（原核生物）（原核生物）形成第一个形成第一个3 / ，5/-磷酸二酯键，磷酸二酯键，因子脱离全酶因子脱离全酶（第一个核苷酸

17、：（第一个核苷酸：GTP或或ATP）RNA 聚合酶识别、结合启动子聚合酶识别、结合启动子-10核苷酸核苷酸TATAAT（Pribnow 盒）富含盒）富含AT-35核苷酸核苷酸TTGACA启启动动子子1. 转录起始转录起始(transcription initiation)转录起始动画转录起始动画核心酶催化，在模板指导下沿核心酶催化，在模板指导下沿5/-3/方向延伸方向延伸RNA链链2、转录延长、转录延长(transcription elongation)转录空泡转录空泡终止子终止子非依赖于非依赖于因子的终止子因子的终止子依赖于依赖于因子的终止子因子的终止子terminator3、转录终止、转录

18、终止（transcription termination）非依赖非依赖因子的终止因子的终止1、GC丰富，重复序列丰富，重复序列2、形成发夹样结构、形成发夹样结构http:/ 转录过程中的转录过程中的5/端加帽端加帽与与3/端加尾端加尾的修饰的修饰mRNA的前体：的前体：核内不均一核内不均一RNA（hnRNA）2. 切除切除内含子内含子(intron)，拼接拼接外显子外显子(exon)非编码序列非编码序列编码序列编码序列(hetero nuclear RNA)m7GpppNmpoly A帽子结构帽子结构尾巴结构尾巴结构 DNA和和RNA生物合成的比较生物合成的比较(1) 复制复制 转录转录1. 原料原料 dNTP NTP2. 模板模板 DNA两条链两条链 DNA一条链一条链3. 引物引物 需要需要RNA引物引物 不需引物不需引物4. 新连延伸方向新连延伸方向 53 535. 主要酶类主要酶类 DNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 解旋、解链酶类解旋、解链酶类 （2） 引物酶引物酶 终止因子终止因子() DNA连接酶连接酶DNA和和RNA生物合成的比较生物合成的比较(2) 复制过程复制过程 转录过程转录过程1. 模板模板DNA解旋与解链，解旋与解链， 因子辨认